墨西哥通用汽車公司在墨西哥的Silao建設(shè)運(yùn)行了一個(gè)汽車裝配廠。這個(gè)工廠位于干旱地區(qū)，距墨西哥城西北大約350km。供給水源是位于現(xiàn)場(chǎng)的6個(gè)井。井水中含有一定的鈣和鎂硬度，也含有高濃度的溶解性硅。
由于在1999年迫近的擴(kuò)產(chǎn)和2001年計(jì)劃建一個(gè)新的汽車廠，通用汽車在1997年啟動(dòng)了一個(gè)水管理項(xiàng)目（WMP），這個(gè)項(xiàng)目包括節(jié)水和擴(kuò)大升級(jí)目前的水和廢水處理設(shè)施。本文主要涉及水處理廠的擴(kuò)容和升級(jí)。
在WMP項(xiàng)目以前，Silao工廠利用石灰單級(jí)軟化。水處理廠的關(guān)鍵組成部分是兩個(gè)固體接觸澄清池（SCC’S）。SCC’S在用石灰將PH調(diào)到10運(yùn)行。澄清池出水用H2SO4中和后，再過濾、消毒，貯存在一個(gè)（飲用水）貯存罐中。在反應(yīng)池/澄清池中產(chǎn)生的污泥被泵打到污泥容罐中，然后經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水。這個(gè)處理對(duì)去除水中的鈣是有效的。然而，硅和鎂只能去除一部分。
升級(jí)主要考慮改進(jìn)去除硬度（如鎂）和硅，同時(shí)利用這些工藝節(jié)水和減少?gòu)U水排放。為了得到的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是要做的。測(cè)試后得出為了達(dá)到通用汽車的水質(zhì)要求，二段軟化工藝是需要的。二段軟化工藝是在SCC’S的下游安裝再碳酸化和微濾設(shè)備，段軟化工藝在PH=11.5下運(yùn)行。另一列保持傳統(tǒng)的單級(jí)軟化工藝在PH=10下運(yùn)行。二段系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了低鈣、鎂和硅的供給水，這也使通用汽車工藝設(shè)備的排水降至，節(jié)約了水源。
介紹
Silao工廠最初的水和廢水處理設(shè)施于1994年被安裝，水處理系統(tǒng)采用一段石灰軟化工藝，這個(gè)系統(tǒng)去除地下水中的鈣是有效的，但只能部分去除地下水中的鎂和硅。處理后的水可以用在很多場(chǎng)合，比如冷卻塔補(bǔ)水、設(shè)備沖洗水、鍋爐補(bǔ)給水、空氣加濕、金屬磨光和涂料。每種應(yīng)用都有不同的水質(zhì)要求。處理后的產(chǎn)水進(jìn)入反滲透。這里反滲透是來(lái)生產(chǎn)金屬磨光和涂料沖洗、包括鋅的磷化和電極沉積著漆的純水。
由于在1999年迫近的擴(kuò)產(chǎn)和2001年計(jì)劃建一個(gè)新的汽車廠，通用汽車在1997年啟動(dòng)了一個(gè)水管理項(xiàng)目（WMP），這個(gè)項(xiàng)目包括：1）鉆新的井 2）節(jié)水 3）改進(jìn)水處理系統(tǒng)4)改進(jìn)廢水處理系統(tǒng)5)進(jìn)行新水再利用。為了保證擴(kuò)容所需要的足夠水源，公司決定執(zhí)行前4個(gè)計(jì)劃，延遲個(gè)計(jì)劃。
在這里，主要涉及水處理系統(tǒng)的改進(jìn)。要求系統(tǒng)升級(jí)的主目的是為工廠擴(kuò)容保證充足和連續(xù)的水源。另外，處理系統(tǒng)長(zhǎng)期的可靠性、可維護(hù)性和可運(yùn)行性被看作是最重要的。因此，這個(gè)項(xiàng)目的目的是用這些節(jié)水工藝去除硬度和硅。節(jié)水的好處是使產(chǎn)生的廢水減少。
背景
地下水的特點(diǎn)是有部分鈣鎂硬度，鈣濃度是67mg/lCaCO3，總硬度112mg/lCaCO3，總碳酸鹽堿度275mg/lCaCO3。其它無(wú)機(jī)成分有鈉離子、氯離子和硫酸根，電導(dǎo)率大約450us/cm。
地下水中也包括溶解性硅大約40mg/l，由于硅可以導(dǎo)致補(bǔ)水管、加工工藝、加濕系統(tǒng)和開放式冷卻塔系統(tǒng)結(jié)垢，所以它也是汽車裝配廠的一個(gè)難題。而且，清洗水中的硅必須*被去除，以避免在金屬表面或汽車表面鍍漆中出現(xiàn)。
最初的水處理工藝（一段石灰軟化）如圖1，石灰被加到兩個(gè)澄清反應(yīng)池中，軟化系統(tǒng)在PH=10下運(yùn)行。澄清反應(yīng)池的出水被過濾、消毒后貯存在貯存罐中。澄清反應(yīng)中產(chǎn)生的污泥用泵打到污泥貯存罐，再經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水。
大部分水進(jìn)入反滲透、冷卻塔和空氣加濕系統(tǒng)管道。為了保證設(shè)備用水中的硅濃度在要求的范圍，下面兩點(diǎn)是要求的：1）高的排放率（例如冷卻塔和加濕系統(tǒng)少循環(huán)），2）RO系統(tǒng)的低回收率，這導(dǎo)致水耗的增加和廢水排放的增多。
方法
為了改善供水的水質(zhì)，通用汽車認(rèn)為需要二段軟化系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目按下面三個(gè)步驟進(jìn)行：
1） 概念設(shè)計(jì)
2） 具體的工程和建設(shè)
3） 調(diào)試和連續(xù)運(yùn)行
在概念設(shè)計(jì)階段，處理的可行性測(cè)試被執(zhí)行去評(píng)估：1）添加的藥劑種類和劑量 2）的PH值 3）在軟化工藝后加第二段或再碳酸化的好處?？商幚硇詼y(cè)試在Silao現(xiàn)場(chǎng)用廣口瓶測(cè)試方法進(jìn)行。從廣口瓶測(cè)試方法得出數(shù)據(jù)來(lái)分析選擇軟化工藝、準(zhǔn)備工廠的水平衡、得到設(shè)備設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。選擇第二段固液分離設(shè)備是一個(gè)重要的工作。所以將傳統(tǒng)的澄清過濾和錯(cuò)流微濾進(jìn)行了對(duì)比。
第二階段進(jìn)行具體的工程和建設(shè)，這個(gè)過程的工作在14個(gè)月內(nèi)被完成，包括具體的設(shè)計(jì)圖紙準(zhǔn)備、設(shè)備采購(gòu)和處理設(shè)施的建設(shè)。軟化工藝一個(gè)非常重要工作是二段固液分離設(shè)備的采購(gòu)。在這里，用的是USFILTER旗下的Memtek的微濾系統(tǒng)，于1999年8月完成了安裝和建設(shè)。
第三階段是調(diào)試和連續(xù)運(yùn)行階段，升級(jí)后的水處理系統(tǒng)在完成建設(shè)后投入運(yùn)行，本報(bào)告中的數(shù)據(jù)是從2000年1月到2001年6月的。結(jié)果包含了所有三個(gè)階段收集的數(shù)據(jù)
概念設(shè)計(jì)
這個(gè)項(xiàng)目首先的任務(wù)是執(zhí)行可處理性測(cè)試，
1）確定沉淀的PH范圍; 2）對(duì)比一段軟化和二段軟化對(duì)硬度的軟化; 3）確定兩種鎂鹽對(duì)硅的去除效率。
PH的影響——首先用可處理性測(cè)試確定Ca和Mg沉淀的PH值，描述PH值影響的圖見圖2，描述了鎂在PH值11-11.5時(shí)溶解度最小，鈣在PH值10-10.5時(shí)溶解度最小。因此，為了把鈣和鎂都去除，選擇了二段軟化工藝。
一段和二段處理工藝對(duì)比——二段軟化工藝被測(cè)試。在階段，PH被升到11.5，固體沉降。水溢流后，用碳酸將PH值降至10。二段處理和一段處理對(duì)比見表1。二段工藝產(chǎn)水硬度為8mg/l，而一段工藝硬度為56mg/l。因此，兩段軟化工藝對(duì)硬度的去除遠(yuǎn)好于一段軟化。
硅的去除——除了去除水中的硬度外，還必須去除硅。以前的研究已經(jīng)顯示加入鎂鹽可以提高對(duì)硅的去除。兩個(gè)基本的去硅機(jī)理是：1）生成堿式硅酸鎂的沉淀2）被Mg(OH)2固體吸附。因?yàn)殒V對(duì)硬度有貢獻(xiàn)，所以需在堿性條件下將鎂沉淀下來(lái)。用一系列測(cè)試對(duì)比了用MgO和MgCl2去除硅的有效性。在這些測(cè)試中，鎂鹽粉末被加入，和原水反應(yīng)1小時(shí)。當(dāng)反應(yīng)完成后，加入Ca(OH)2調(diào)到所要的PH值。基于圖3中的結(jié)果，MgO的效果比MgCl2好?？赡艿脑蚴窃?小時(shí)的反應(yīng)過程中，MgO溶液在高PH值，所以對(duì)硅的去除更好。
反應(yīng)的順序——在這個(gè)測(cè)試中，評(píng)估了三種方法，個(gè)方法是加MgO反應(yīng)1小時(shí)，加石灰反應(yīng)20分鐘，然后沉降。第二個(gè)方法是加入石灰反應(yīng)20分鐘，然后加入MgO反應(yīng)20分鐘，然后沉降。第三種是同時(shí)加入MgO和石灰，反應(yīng)20分鐘后沉降。MgO以5%泥漿加入，鎂和硅的摩爾比是1:1。Ca(OH)2以5%的泥漿加入到廣口瓶中直至PH到11.5。表2的數(shù)據(jù)顯示了首先加石灰，再加MgO是有利的。當(dāng)石灰首先加入時(shí)，PH提到11.2后再加MgO泥漿。高的PH值對(duì)鎂鹽去除硅是有利的。
鎂的劑量——最后測(cè)試考察了MgO的劑量和PH對(duì)硅的去除的影響。圖4的數(shù)據(jù)顯示了最終PH=11.5時(shí)比PH=11時(shí)去除硅稍好一些。通用汽車希望最終硅的濃度小于10mg/l，使反滲透在高回收率情況下能運(yùn)行，加濕系統(tǒng)和開放式冷卻塔系統(tǒng)在合理周期下運(yùn)行。這將幫助墨西哥的干旱地區(qū)節(jié)水。為了使硅的濃度小于10mg/l，對(duì)于硅濃度為26mg/l的原水，至少加入MgO大約50mg/l。
工藝發(fā)展——由于減少了使用純水系統(tǒng)，在概念設(shè)計(jì)階段執(zhí)行的物料平衡顯示了二段軟化系統(tǒng)將減少水耗10-20%（例如反滲透系統(tǒng)回收率提高了），加濕系統(tǒng)的補(bǔ)水減少了（例如循環(huán)系統(tǒng)高的循環(huán)周期）。
微濾工藝的選擇——二段軟化的固液分離設(shè)備的選擇分析被執(zhí)行了。將傳統(tǒng)的分離設(shè)備（澄清和過濾）和微濾進(jìn)行了對(duì)比。微濾是施加在微孔膜表面的壓力驅(qū)動(dòng)使液體和固體分離的過濾工藝（Exhibit 1）。Silao工廠考慮的是用錯(cuò)流過濾型的。在這個(gè)工藝中，化學(xué)預(yù)處理后（再碳酸化）的固體和液體進(jìn)入濃水罐中后被泵連續(xù)打到膜表面，形成一個(gè)高速的剪切速度（Exhibit 2）。液體的壓力驅(qū)使一定干凈水通過膜孔，而比膜平均孔徑大的顆粒污染物被攔截隨濃水回到濃水罐。這個(gè)剪切作用和周期性的壓縮空氣施加水的反洗，阻止了污染物在膜表面的積累。
隨著時(shí)間的推移，固體將在膜表面積累，限制流速，流速減少至干凈膜的30-40%，微濾關(guān)機(jī)隔離后，用NaClO清洗膜。通用汽車選擇微濾工藝來(lái)作為二段處理的固液分離設(shè)備，因?yàn)椋?）它產(chǎn)生了高質(zhì)量的產(chǎn)水水質(zhì)，使反滲透的回收率提高。2）它要求小的空間。3）比傳統(tǒng)的多介質(zhì)過濾器要求的反洗水少。通用汽車在Ramos Arizpe complex用的一個(gè)微濾系統(tǒng)顯示了一個(gè)大約16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）的通量。
流程圖——概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的流程圖（Exhibit 3）如下：地下水被泵打到原水貯存罐中（它貯存工藝用水和消防用水）。從貯存罐中，地下水被泵打到分流盒中，分別進(jìn)入兩個(gè)澄清池。其中一個(gè)單元僅一段石灰軟化，因?yàn)檫@部分是作為飲用水和部分生產(chǎn)用水。
另外一個(gè)澄清池單元作為二段軟化工藝的段。石灰漿液被加到澄清池上游的快速攪拌池，接著加入一定的劑量石灰、MgO于水中，將硅沉淀下來(lái)。在澄清池中，沉淀到底部后定時(shí)被污泥泵打走，上清液溢流到再碳化池中。在再碳化池中，CO2被加入降低PH到10左右，使鈣生成Ca(OH)2沉淀去除。泥漿被微濾從水中分離，過濾后的出水進(jìn)入過濾水貯存罐中，貯存罐中的水能再進(jìn)入反滲透系統(tǒng)和作為空氣加濕系統(tǒng)的補(bǔ)給水。
建設(shè)
建設(shè)階段是將兩個(gè)單段處理系統(tǒng)中的一個(gè)轉(zhuǎn)變成一個(gè)兩段處理系統(tǒng)，需要變化的設(shè)備包括：1）MgO供給設(shè)備2）貯存罐、泵和CO2投加設(shè)備3）二段軟化工藝中固液分離的兩個(gè)微濾單元。其它的建設(shè)活動(dòng)包括恢復(fù)澄清池以改善污泥排放、安裝一個(gè)大的石灰系統(tǒng)和擴(kuò)大目前的壓濾機(jī)。
微濾系統(tǒng)由兩個(gè)相同的微濾單元組成。每個(gè)單元是11.6米（38英尺）長(zhǎng)，5.2米寬（17英尺）和3.7米高（12英尺）。每個(gè)單元過濾面積是70平方米（754平方英尺），設(shè)計(jì)流速是9.9l/s（通量12.2m3/d/m2，300gpd/ft2），靠增加組件，每個(gè)單元能增加50%。
每個(gè)微濾單元包括1個(gè)濃水罐、1100gpm的循環(huán)泵一用一備、膜和儀表及控制。濃水罐接受來(lái)自再碳酸池的水和從微濾組件濃水端回來(lái)的含懸浮固體的濃水。靠調(diào)節(jié)排放流量，將固體濃度控制在2-5%（重量比）。
每個(gè)微濾單元再進(jìn)一步分成兩組，每組36個(gè)組件，每個(gè)組件10個(gè)膜管。微濾膜的公稱孔徑是0.1um，由碳氟化合物材料加工而成。因此，微濾在正常運(yùn)行和清洗過程中適用的范圍是很寬的。微濾系統(tǒng)能忍受NaClO（<15%）或HCl（<10%）的清洗?；瘜W(xué)清洗時(shí)，它們必須隔斷運(yùn)行。
每個(gè)微濾單元都有一個(gè)380VAC/50HZ下250A的電力要求。每18-30分鐘（可以調(diào)整），用工廠氣壓產(chǎn)水反洗1次。微濾的產(chǎn)水作為反滲透的進(jìn)水和加濕系統(tǒng)的補(bǔ)水。RO產(chǎn)水主要用作電泳漆沉積工藝和鋅磷化工藝。因?yàn)镽O進(jìn)水只含極少量的硅、鈣和鎂，所以RO系統(tǒng)的回收率可以大于80%，并且如果再增加一段軟化工藝還可以提高。
運(yùn)行
通用汽車運(yùn)行二段軟化工藝兩年了。系統(tǒng)最近的數(shù)據(jù)如表3，過去12個(gè)月的鈣、鎂和硅的數(shù)據(jù)如表3。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)去除相關(guān)成分是非常有效的。
段軟化工藝產(chǎn)生的污泥和微濾系統(tǒng)的濃水罐排放的污泥在脫水之前打到一個(gè)污泥貯存罐中，再?gòu)倪@個(gè)貯存罐打到板框壓濾機(jī)脫水。脫水后的污泥含固率大約為70%，被運(yùn)到垃圾填埋場(chǎng)處置。
討論
微濾作為二段軟化工藝中第二段固液分離設(shè)備的系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況和可處理性測(cè)試以及與Memtek代表的討論是一致的。
在調(diào)試期間，微濾系統(tǒng)經(jīng)歷了低通量和高產(chǎn)水濁度的階段。經(jīng)過研究主要是因?yàn)檫M(jìn)水罐中的溶液太稀。在進(jìn)水罐中，TSS濃度應(yīng)該最少為2%。由于頻繁地分析進(jìn)水罐的TSS濃度太耗時(shí)，通用汽車收集數(shù)據(jù)后使可沉淀的固體和系統(tǒng)需要保持的TSS濃度相關(guān)聯(lián)，這個(gè)關(guān)聯(lián)（如圖5）允許操作人員進(jìn)行可沉降固體試驗(yàn)來(lái)維持最小TSS濃度。
1個(gè)兩個(gè)月的微濾通量的圖表如圖6，這個(gè)圖顯示了最初通量大約24.4m3/d/m2（600gpd/ft2），接著的4個(gè)星期通量下降至大約10.2m3/d/m2（250gpd/ft2）。微濾單元在8月17日隔離開來(lái)進(jìn)行清洗。清洗后，微濾單元又重新投入運(yùn)行，膜通量大約16.3m3/d/m2（400gpd/ft2）。運(yùn)行了3個(gè)星期后，膜通量下降到大約8.2m3/d/m2（200gpd/ft2）。系統(tǒng)在9月6日被清洗后，由于該次清洗是不*的，通量?jī)H增至14.3m3/d/m2（350gpd/ft2），所以9月15日又進(jìn)行了清洗。根據(jù)工廠2年的經(jīng)驗(yàn)知道頻率應(yīng)該是每2-4周清洗一次，先用NaClO去除細(xì)菌，再用HCl清洗垢。
無(wú)論通量如何，微濾單元的產(chǎn)水水質(zhì)都很好。2000年6月的通量和濁度如圖7，這個(gè)圖顯示了在10-30m3/d/m2（250-750gpd/ft2）的通量下出水水質(zhì)都很好。
結(jié)論
這個(gè)用微濾技術(shù)作為二段軟化工藝中第二段的固液分離的設(shè)備的系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)了大約2年，工藝產(chǎn)生了硬度小于30mg/l，硅小于10mg/l的高質(zhì)量水源，處理后的濁度平均大約0.3NTU，二段系統(tǒng)良好的出水水質(zhì)減少了加濕系統(tǒng)的排放量，使反滲透的回收率從安裝二段軟化系統(tǒng)前的67%增加到安裝后的82%，工藝設(shè)備低的耗水量允許通用汽車減少抽取井水。通用汽車用水量已經(jīng)減少了約20%。
目前，Silao工廠正在考慮回用它們處理后的廢水，整個(gè)水平衡顯示了用二段軟化工藝處理所有的井水都是經(jīng)濟(jì)的。一些規(guī)定正被制定去完成這個(gè)轉(zhuǎn)變。
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